夏樹昂，黃逸哲，黃其柏＊

（華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

汽車噪聲作為一種新的污染源，已逐漸引起了全社會(huì)的關(guān)注。相關(guān)研究表明[1]，環(huán)境噪聲能量中的75%來自于汽車噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是汽車的主要噪聲源部分。本文將某款排氣消聲器的流體動(dòng)力學(xué)與氣動(dòng)聲學(xué)分析相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)某一流域流速過大現(xiàn)象，提出“虛擬管道”概念進(jìn)行解釋，分析得到消聲器流場和聲學(xué)特性參數(shù)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出參考性意見。

1 消聲器前處理

1.1 消聲器結(jié)構(gòu)建模

建立某款SUV汽車的排氣消聲器幾何模型，確定需要進(jìn)行CFD計(jì)算的流體域，刪除與流域無關(guān)的零部件，如：法蘭、鐵條、加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)。簡化圓角、倒角等對(duì)流體分析影響不大，但影響網(wǎng)格質(zhì)量的結(jié)構(gòu)，并封閉幾何體。簡化后模型如圖1所示。

圖1 消聲器簡化模型

1.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)主消聲器模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，因?yàn)橹飨暺鹘Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。采用Robust（Octree）方法生成四面體網(wǎng)格，該方法適用于較為復(fù)雜的機(jī)械構(gòu)造中。對(duì)穿孔板、穿孔管等結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加密，生成網(wǎng)格的質(zhì)量滿足要求。

2 流體動(dòng)力學(xué)分析

2.1 理論概述

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的方法主要有三個(gè)角度：理論分析角度，實(shí)驗(yàn)?zāi)M角度和數(shù)值模擬角度[2]，考慮到時(shí)間和成本等方面因素，本文采用ICEM、FLUENT、Virtual.Lab Acoustics等流體分析計(jì)算軟件進(jìn)行仿真計(jì)算?；驹頌榱黧w的流動(dòng)需要滿足三大基本物理定律，即：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[3]。

2.2 邊界條件設(shè)置

采用Standard k-ε模型對(duì)主消聲器進(jìn)行計(jì)算，入口邊界條件采用質(zhì)量流量入口，定義質(zhì)量流量（Mass Flow Rate）為120 g/s，湍動(dòng)能參數(shù)設(shè)置為Turbulent Intensity=3.55%，Hydraulic Diameter=0.051 m；出口邊界條件采用壓力出口條件，設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2.3 壓力損失分析

通過圖2可得，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣體由進(jìn)口管進(jìn)入主消聲器，到從出口管離開，壓力總體分布呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。對(duì)比圖3湍動(dòng)能云圖得出，在氣體由一個(gè)腔體通過穿孔板進(jìn)入另一個(gè)腔體、由內(nèi)管通過小孔進(jìn)入腔體時(shí)，由于小孔的存在，對(duì)氣流流進(jìn)腔體造成阻礙，產(chǎn)生了一定的局部壓力損失，導(dǎo)致腔體內(nèi)的壓力明顯低于管內(nèi)壓力。當(dāng)氣體由腔體進(jìn)入出口管時(shí)，因?yàn)楣艿缹?duì)流體具有匯聚作用，導(dǎo)致流束收縮，引起流速的變化，產(chǎn)生了一些小漩渦，漩渦會(huì)導(dǎo)致能量的損耗，因此壓強(qiáng)顯著降低。圖3可以明顯看出氣流在小孔處和在腔體進(jìn)入內(nèi)管處的湍動(dòng)能較大，湍流造成的壓力損失就大，因此，在湍動(dòng)能較大處均有壓力的明顯下降。

圖2 壓力云圖

圖3 湍動(dòng)能云圖

選擇面積分命令，選擇消聲器的入口截面和出口截面作為計(jì)算的面，得到消聲器的壓力損失為12.65 kPa，滿足≤20 kPa的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 流場分析

從圖4主消聲器中心截面速度云圖可以看出：消聲器內(nèi)氣流速度較大的區(qū)域主要集中在消聲器管道內(nèi)，這些管道區(qū)域流域直徑較小，流速是消聲器中較大的部分，達(dá)到40～70 m/s。在腔體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)了很多渦旋區(qū)域，因?yàn)闇u旋消耗能量的緣故，氣體在這些區(qū)域的流速相對(duì)較低，只有6～16 m/s。

從圖5主消聲器速度矢量圖可以看出，由于穿孔管小孔的孔徑較小，氣流在通過小孔時(shí)，速度會(huì)相對(duì)加快，產(chǎn)生噴射現(xiàn)象，氣體從小孔噴出后又會(huì)匯聚在一起，形成一定的氣流運(yùn)動(dòng)。氣體流速最大區(qū)域兩個(gè)腔體連通孔之間區(qū)域，速度達(dá)到了90 m/s以上。

圖4 主消聲器中心截面速度云圖

圖5 主消聲器速度矢量圖

對(duì)此分析提出“虛擬管道”概念，形成“虛擬管道”的必要因素有：（1）因?yàn)橥ㄟ^連通孔時(shí)原理與通過小孔時(shí)類似，所以通過隔板之間連通孔同樣產(chǎn)生噴射現(xiàn)象，使流速變大；（2）兩連通孔間距離又較近，兩孔間相當(dāng)于又形成了一條“流體通道”，又與普通內(nèi)插管原理類似，但比內(nèi)管直徑小很多，流道截面很小[4]。所以在第二腔體內(nèi)形成了截面形狀為半月形的“虛擬管道”流域，其流速達(dá)到主消聲器的最大速度。在第四腔體內(nèi)同樣出現(xiàn)了“虛擬管道”現(xiàn)象，因?yàn)闈M足其形成要求，流速明顯比腔體內(nèi)其他區(qū)域要高。在第三腔體內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的“虛擬管道”現(xiàn)象，主要是因?yàn)閮筛舭彘g距離較遠(yuǎn)，不符合第二點(diǎn)必要因素。

3 氣動(dòng)噪聲分析

3.1 聲場建模流程

（1）在上述流場穩(wěn)態(tài)計(jì)算完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，應(yīng)用大渦（LES）湍流模型模擬，輸出流場時(shí)域計(jì)算數(shù)據(jù)；

（2）在Virtual.Lab聲學(xué)有限元模塊定義單元組，入口無反射邊界條件和出口AML屬性；

（3）對(duì)CFD數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移以及快速傅里葉計(jì)算；

不過，這只是一個(gè)傳說而已。實(shí)際情況是，飛魚有趨光的習(xí)性，漁民在捕捉飛魚時(shí)，會(huì)在太陽出來之前，在漁船上點(diǎn)亮燈光，等待飛魚覓光而來，自投羅網(wǎng)。如果你在海邊等待日出時(shí)，看到船頭亮著一盞明燈的小船，那多半是在等待飛魚“上鉤”的漁船。

（4）定義聲學(xué)邊界條件，定義偶極子聲源，使用新的偶極子方程，進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算[5]；

（5）定義IO點(diǎn)，計(jì)算該測點(diǎn)的聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)。

3.2 參數(shù)設(shè)置

（1）仿真條件：媒介阻抗設(shè)為 606.2 kg·m2/s，出口壓強(qiáng)101kPa；

（2）計(jì)算頻率：消聲器氣動(dòng)噪聲通常以3 000 Hz以下為主[6]，考慮其他條件影響，設(shè)置計(jì)算頻率范圍20～5 000 Hz，分辨率 10 Hz；

（3）測點(diǎn)位置：排氣管出口45°，141 mm處。

3.3 聲壓級(jí)分析

如圖6所示為測點(diǎn)位置聲壓頻率響應(yīng)圖，可通過軟件求出氣動(dòng)噪聲的總聲級(jí)為106.5 dB（A），其頻譜在10～5 000 Hz頻段分布較為均勻，主要噪聲峰值頻率為 210、600、1 880、4 580 Hz。仿真時(shí)未考慮溫度場分布，僅設(shè)定溫度為固定值500 K，對(duì)結(jié)果精確度的影響不大。

圖6 測點(diǎn)位置聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)圖

提取測點(diǎn)位置各頻率聲壓云圖，重點(diǎn)分析峰值頻率的聲壓分布。從圖7可以看出：（1）頻率210 Hz聲壓級(jí)為91.88 Hz，聲壓主要集中在整個(gè)出口管部分，最大達(dá)到 150 dB；（2）頻率 600 Hz聲壓級(jí)為 97.56 dB，聲壓主要集中在出口管部位以及第一、二腔體的拐角部位，最大達(dá)到141.6 dB；（3）頻率1 880 Hz聲壓級(jí)達(dá)到最大的97.97dB，聲壓主要集中在第一腔體的角落處，最大達(dá)到136.3 dB；（4）頻率4 580 Hz聲壓級(jí)為94.35 dB，主要集中在出口管部位，最大可達(dá)142.4 dB。

圖7 消聲器外表面與剖視圖聲壓云圖

3.4 合理化建議

結(jié)合流場與聲場分析結(jié)果，提出以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議：

（1）消聲器內(nèi)氣動(dòng)噪聲主要集中在排氣管處，尤其在排氣管的彎曲位置，可根據(jù)消聲目的，通過改變管徑大小、管道彎曲角度、管道截面形狀（如采用三角截面）等方法來降低其氣動(dòng)噪聲。

（2）消聲器腔體角落容易形成渦旋，從而產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，可以通過改變消聲器外殼的形狀尺寸，腔體隔板之間的距離等方法來改善。

（3）穿孔板和穿孔管上因?yàn)樾】椎拇嬖?，?dǎo)致湍動(dòng)能較大，引起氣動(dòng)噪聲，可以通過改變穿孔個(gè)數(shù)和穿孔率等方法來進(jìn)一步消聲。

（4）“虛擬管道”會(huì)引起很大的流速和湍動(dòng)能，增大氣動(dòng)噪聲，可通過改變連通孔的形狀、增大連通孔的尺寸和優(yōu)化腔體隔板之間的距離等方法來避免此現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

針對(duì)某排氣系統(tǒng)消聲器進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)噪聲方面的分析研究，得到以下結(jié)論：

（1）該排氣消聲器壓力損失滿足要求，模擬其流場分布情況，為消聲器其他模塊研究提供數(shù)據(jù)參數(shù)，提出“虛擬管道”概念。

（2）仿真得到消聲器的聲學(xué)計(jì)算結(jié)果，對(duì)消聲器各頻率聲壓級(jí)分布進(jìn)行分析研究，結(jié)合流場分析，提出合理化建議，對(duì)消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有參考價(jià)值。